¿Cómo funciona un calentador solar de agua?

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Uno de los usos más comunes de la energía solar es el calentamiento de agua. El calentamiento de agua ocupa normalmente el tercer lugar en los gastos de energía de un hogar promedio. Dependiendo del lugar en que vivas y de tus necesidades de agua caliente, un sistema de calentamiento solar de agua puede pagarse por si mismo en apenas cinco años. Un sistema con buen mantenimiento puede durar de 15 a 20 años, bastante más que un calentador de agua convencional. Un calentador de agua solar  funciona en la misma forma que un calentador solar para espacios interiores, y su principal elemento es un colector solar.

Un colector solar es un dispositivo para extraer la energía del sol directamente hacia una forma más útil o fácil de almacenar de energía. Aunque la cantidad de energía que llega a la tierra depende de la ubicación, condiciones climáticas y orientación de la superficie, en general se estima en 1000 watts por pie cuadrado. El colector solar se monta en el techo, o en un área que reciba luz de sol directa. Colecta la luz solar y la convierte en calor.

Los sistemas de calentamiento solar consisten de un circuito de transferencia de calor que incluye un fluido y el medio por el que circula y un sistema de almacenamiento con un intercambiador de calor. El sistema puede también incluir un sistema secundario de distribución de calor entre diferentes receptáculos de calor o usuarios del calor. Este tipo de sistema de calentamiento puede usarse en muy diversas formas, incluyendo el calentamiento de agua para fines domésticos, calentamiento de piscinas, calefacción de casas, secadoras industriales o sistemas de enfriamiento. El almacenamiento de calor normalmente se estima en uno o dos días de los requerimientos normales, aunque también existen sistemas de almacenamiento estacionales que guardan el calor durante el verano para ser usado en la temporada invernal.

La mayoría de los calentadores solares que operan en invierno en zonas templadas usan un fluido de transferencia de calor, semejante a los anticongelantes, para evitar que se congelen durante los días fríos. Actualmente hay más de 1.5 millones de casas en los Estados Unidos con calentadores de agua solares para uso doméstico o de albercas.

Calentador solar
Calentador solar de tubos al vacío tipo termo-sifón

Calentadores de termosifón por gravedad

Los tipos más comunes de sistemas de calentamiento de agua domésticos son el de termosifón y el de bombeo. En los sistemas de termosifón, se coloca un tanque de almacenamiento sobre el colector. A medida que se calienta el agua en el colector, ésta se eleva y comienza a circular en forma natural alrededor del tanque. Esto hace que suba el agua fría desde el fondo del tanque. Este sistema tiene como ventajas que es auto-regulado y no tiene partes móviles. La principal desventaja es que requiere que el tanque esté colocado a un nivel más elevado que el colector, lo que puede ser físicamente difícil en muchas circunstancias. Este tipo de calentador funciona por gravedad, por lo que no nos sirve si requerimos agua a alta presión.

El sistema de termosifón más común actualmente es el de tubos al vacío. Como se muestra en la siguiente imagen, un tubo al vacío consta de dos tubos de vidrio concéntricos entre los cuales se hace un vacío, al extraerse todo el aire. Esto hace que los tubos tengan la capacidad de mantener el calor, con el mismo principio de funcionamiento de un recipiente térmico (termo). El tubo interno tiene un recubrimiento especial de nitrato de aluminio para facilitar la absorción del calor.

El anillo de bario en el extremo inferior del tubo tiene como objetivo absorber cualquier residuo de moléculas de gases que pudiera haber quedado en el tubo para mantener el vacío. El efecto del anillo de bario se ve como una capa plateada en el extremo inferior del tubo. Si el tubo no tiene esta capa plateada sino que se ve de color claro o transparente es indicador de que el tubo está pinchado, es decir, ya no tiene un sello de vacío adecuado. El agua circula libremente al interior del tubo interno y por un efecto de convección, el agua fría pasa del tanque hasta la parte inferior de los tubos y al calentarse comienza a subir hasta llegar nuevamente al tanque, donde se almacena.

Calentador Solar para Alta Presión

Como señalamos antes, el sistema de tubos al vacío básico funciona por gravedad y no soporta altas presiones. Esto es un problema cuando la casa o edificio donde se instala no cuenta con tinaco elevado o la presión que se obtiene por gravedad es insuficiente. Si el suministro de agua se obtiene por equipo hidroneumático, presurizador o directamente de la red sin pasar por un tinaco, se requerirá de un equipo que soporte alta presión.

La tecnología más común para alta presión es la conocida como HEAT PIPE. En esta tecnología, se siguen usando tubos al vacía, similares a los descritos antes, pero en este caso los tubos están sellados, es decir, el agua no fluye al interior de los tubos. En lugar de agua, los tubos están llenos de un fluido que es el que captura el calor del sol. Al calentarse, este fluido se convierte en gas, circulando por el mismo proceso de convección térmica que ya conocemos. El calor capturado por este gas se transfiere a una punta de cobre de alta pureza que se encuentra en el extremo superior de cada uno de los tubos. Estas puntas de cobre son las que finalmente nos sirven para calentar el agua que se encuentra en el tanque de almacenamiento.

Tubo tipo heat pipe

Como se ve, en la tecnología heat pipe, el medio que captura el calor, que es el gas al interior de los tubos, está aislado o separado del agua contenida en el tanque, lo que permite que pueda haber una diferencia de presión entre los dos medios. Así, el agua puede estar a alta presión sin afectar el funcionamiento de los tubos.

Cómo funciona un calentador tipo heat pipe

Un sistema de bombeo usa una bomba para circular el agua, por lo que el tanque puede ser colocado en forma independiente a la ubicación del colector. Este sistema requiere energía externa para accionar la bomba. También requiere controles electrónicos para medir el gradiente de temperatura a través del colector y modular el bombeo.

¿Cuál es la posición correcta de los calentadores solares?

Un calentador solar puede montarse sobre techos o paredes, dando siempre hacia el ecuador. Por lo tanto, un techo con vista hacia el norte en el hemisferio sur, y un techo con vista hacia el sur en el hemisferio norte son las ubicaciones ideales. Dependiendo de la luz de sol disponible, un sistema con una superficie de 2 a 10 pies cuadrados puede proporcionar hasta el 60% de las necesidades de agua caliente de una familia típica.

En general, se recomienda que el colector solar tenga una inclinación con respecto a la horizontal de entre 10° y 15° por arriba de la latitud del sitio de instalación. Tomando como ejemplo la Ciudad de México, tenemos una Latitud de 19° por lo que el ángulo de inclinación recomendable sería entre 29° y 34°, viendo hacia el Sur.

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